高層LOFT公寓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

文/辛?xí)赠i 鄭州市建筑設(shè)計(jì)院 河南鄭州 450007張媛媛 中赟國際工程股份有限公司 河南鄭州 450007

建筑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，如何在保證建筑結(jié)構(gòu)安全、功能合理的前提下，最大限度的為開發(fā)商節(jié)約投資成本，這就需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化及分析探討。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期方案會(huì)直接影響建筑項(xiàng)目的總成本，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往在建筑前期并不參與其中，以致前期方案不注意結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在建筑前期進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系、地基基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能更好地滿足建筑功能需要及使用舒適度的要求，有效的節(jié)約投資成本。

1、工程實(shí)例

本工程為鄭州航空港區(qū)一個(gè)高層LOFT公寓項(xiàng)目，地上16層，層高5.09m，建筑高度76.65m。標(biāo)準(zhǔn)層典型房間4.2X8.4m，建筑平面布局回字形，平面布置較規(guī)則。地下兩層，負(fù)一層層高3.5m，覆土1.5m，負(fù)二層層高3.3m。地下水位較淺，為地面下2.5m。

2、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

根據(jù)建筑平面布局及功能需要，本工程建筑初步方案階段采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)后期，擬對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)框架-剪力墻和剪力墻結(jié)構(gòu)體系這兩種方案進(jìn)行試算對(duì)比。

圖1 框-剪體系

圖2 剪力墻體系

本項(xiàng)目采用YJK計(jì)算軟件對(duì)兩種方案計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，兩種方案的位移均宜控制，而周期比差別較大。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大周期比為0.92，剪力墻結(jié)構(gòu)最大周期比0.81，而《高規(guī)》規(guī)定周期比不得大于0.9。由于本工程特點(diǎn)為內(nèi)部核心筒剪力墻在建筑平面中居中，外圍框架梁由于夾層采光需要不能做高，如采用外圍框架體系抗扭剛度較小，周期比難以控制。采用T形截面剪力墻能有效增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度，周期比較宜控制。同時(shí)，設(shè)計(jì)T形截面剪力墻時(shí)，注意控制墻翼緣長(zhǎng)度，不能影響地下室停車位，可以采用加厚墻體厚度的方法來控制軸壓比。由于LOFT公寓帶夾層，總荷載較大，如采用框架柱底部幾層柱截面較大，對(duì)公寓空間使用有一定影響，而采用T形剪力墻底部墻厚300mm即可滿足要求，能得到更舒適的使用空間?？梢?，從結(jié)構(gòu)計(jì)算及建筑使用功能上講，本工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系為更優(yōu)的方案。

3、夾層荷載優(yōu)化

本工程Loft公寓夾層部分考慮防火、凈高、荷載等因素，考慮采用三種方案。

方案一：在公寓夾層處增設(shè)混凝土圈梁，夾層擬采用H型鋼，其高度為150mm，翼緣寬度為75mm，上鋪60mm厚的鋼筋混凝土預(yù)制板。該方案施工方便，舒適度較好，但夾層厚度完成后超過250mm，凈高有一定影響。

方案二：在公寓夾層處增設(shè)混凝土圈梁，待主體結(jié)構(gòu)封頂后再植筋澆筑100mm厚的鋼筋混凝土板作為公寓夾層樓板。該方案結(jié)構(gòu)自重大，結(jié)構(gòu)模型計(jì)算復(fù)雜，且需現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土，不利于后期改造施工。

方案三：在公寓夾層處增設(shè)混凝土圈梁，夾層擬采用H型鋼做主次梁，內(nèi)部采用角鋼，在H型鋼及角鋼上方鋪設(shè)20mm厚的加筋水泥纖維壓力板，該方案能夠控制夾層厚度，梁下凈高較大，且荷載較小，能有效減小墻柱截面，后期改造施工方便。

綜合考慮防火、凈高、荷載等因素，夾層優(yōu)選采用鋼龍骨+水泥纖維壓力板做法，結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮恒荷載1.0kN/m2。

4、地基基礎(chǔ)優(yōu)化

圖3 基礎(chǔ)方案一

圖4 基礎(chǔ)方案二

本工程由于均為L(zhǎng)OFT公寓，層高較大，荷載較大，采用筏板基礎(chǔ)較為合適，能更好滿足沖切及地基承載力的要求，初步設(shè)計(jì)時(shí)采用地基基礎(chǔ)布置方案一（圖3）。本工程特點(diǎn)為剪力墻布置間距較大，傳給筏板的荷載分布不均勻，接近條狀分布。根據(jù)荷載條形分布的特點(diǎn)，及樁宜直接布置墻下傳力直接且減小筏板配筋的原則，對(duì)筏板基礎(chǔ)及CFG樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。筏板開洞優(yōu)化后為地基基礎(chǔ)布置方案二，由圖4可知，筏板接近條形基礎(chǔ)，能滿足承載力及沖切要求，同時(shí)由于基礎(chǔ)受基底反力面積減小，墻邊基底反了產(chǎn)生的彎矩變小，能減小筏板受彎鋼筋。可見，方案二能有效減小了筏板基礎(chǔ)面積及樁的個(gè)數(shù)，減小耗鋼量及混凝土用量的同時(shí)使筏板受力更均勻更合理，是更優(yōu)的方案。

5、地下室樓蓋優(yōu)化

本項(xiàng)目為兩層地下室，且根據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料可知地下水位較淺，考慮到減少土方開挖量和基坑支護(hù)費(fèi)用，不采用降水方案等因素，應(yīng)采用減小梁截面高度和地下室層高的結(jié)構(gòu)方案，擬采用密肋空心樓蓋和加腋大板這兩種有效減小梁高的方案，梁高均采用600mm。加腋大板板中間部位板厚250mm，板跨邊加腋至500mm。密肋空心樓蓋板厚130mm，肋高600mm。

采用有限元軟件YJK盈建科建立加腋大板模型。由于加腋板厚度較高，為500mm，計(jì)算梁時(shí)可考慮板的面外剛度對(duì)梁變形的有利影響，因此宜考慮梁板的共同變形作用。樓板按彈性板6參與整體計(jì)算，板元細(xì)分長(zhǎng)度1m，彈性板荷載導(dǎo)算采用有限元導(dǎo)荷，考慮梁與彈性板變形協(xié)調(diào)整體計(jì)算配筋。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，梁跨中存在軸拉力，為拉彎受力，梁端處存在軸壓力，為壓彎受力。由于計(jì)算梁內(nèi)力時(shí)，考慮了板面外剛度的有利貢獻(xiàn)，其彎矩及變形比常規(guī)的梁板計(jì)算要小很多，但是在梁配筋時(shí)要考慮軸力對(duì)配筋的影響。

采用YJK盈建科有限元軟件對(duì)加腋大板樓蓋和密肋空心樓蓋進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比。這兩種樓蓋均采用彈性板6進(jìn)行有限元分析。取典型跨8.1x8.1m，在相同荷載下，恒載27 kN/m2(覆土1.5m)，活載16kN/m2（考慮消防車荷載）的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。對(duì)于加腋大板方案，由于板彎矩及軸力分布差別很大，板有限元配筋結(jié)果分布不均勻，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)且受力合理的目的，本工程采用板帶式分塊配筋，局部配筋見施工圖5。密肋空心樓蓋也采用無梁樓蓋板帶式分塊配筋。通過繪制施工圖并統(tǒng)計(jì)每平方鋼筋用量和混凝土用量見表1。

表1 不同樓蓋體系經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

圖5 加腋大板局部配筋施工圖

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，加腋大板考慮梁板共同作用且按有限元結(jié)果板帶式分塊配筋時(shí)，與密肋樓蓋體系相比，其耗鋼量較小，混凝土用量與密肋樓蓋相差不大。而考慮到密肋樓蓋體系頂板較薄，防水性能稍差，且模殼較貴，綜合造價(jià)比較高，且模殼有年久損壞掉落的缺點(diǎn)。而加腋大板體系，樓板較厚，考慮梁板共同變形作用及拱的有利作用，受力更加合理?？梢?，合理配筋的加腋大板樓蓋體系為更優(yōu)方案。

結(jié)論：

（1）高層LOFT公寓開間較大且規(guī)則時(shí)，結(jié)構(gòu)體系可采用剪力墻結(jié)構(gòu)，能有效增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度，控制周期比。且基礎(chǔ)宜采用條形筏板基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使筏板更經(jīng)濟(jì)受力更合理。

（2）加腋大板樓蓋在考慮梁板共同變形作用，且考慮加腋板的拱有利作用時(shí)，能有效減小梁高。同時(shí)，如果按有限元結(jié)果板帶式配筋時(shí)，是一種更加經(jīng)濟(jì)合理的地下室樓蓋體系。

（3）綜合考慮防火、凈高、荷載等因素，夾層采用鋼龍骨+水泥纖維壓力板做法，能有效減小夾層荷載，有效控制墻柱截面及基礎(chǔ)厚度。